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林產化學工業是什麽?

以森林植物及其副特產品為主要原料,借化學或生物化學的方法加工成各種產品的工業。它與森林采運、木材工業等部門構成森林工業。林產化學工業對充分合理利用森林資源、發展多種經營、提高木材綜合利用率起著重要作用。

發展歷史

森林化學產品從簡單的利用發展到近代的工業生產有著悠久的歷史。人類約在1萬年前對樹木泌出物已有利用。造紙的起源,可追溯至公元前3000~前2500年,埃及人將生長在尼羅河的紙莎草髓心壓制成壹種書寫材料。但真正紙的制造,世人公認約在公元105年為中國人所發明。這項技術於12世紀傳到歐洲,14世紀末制造技術得到改進,直至17世紀發展成為壹項工業。18世紀初美國建立了世界第壹座紙廠。初期造紙的原料主要為破布。由於造紙原料的缺乏,1841年機械法木漿造紙發明以來,各種造紙方法不斷出現,到20世紀已發展成為現代化大規模生產的工業部門。

松脂制品,英文稱“Naval stores”,與“海軍補給品”壹詞相同。此名起源於早期從木材提取出狀如焦油瀝青的物質作為木制船撚縫以及塗於繩索防水作維護之用。後來發現從松樹可獲得量大質佳的松香、松節油及由它衍生出來的各種產品而發展成為壹項工業。松脂制品工業最早在北歐林區出現,於1608年傳至美國東部及東南部,19世紀初已成為當時大宗商品之壹。1857年法國在采集和生產技術方面作了改進,於1909年實現商業化。俄羅斯采脂始於1780年,1922~1923年(蘇聯時期)開始采用化學刺激法而使產量大增。20世紀初期瑞典開始以針葉樹材為原料用硫酸鹽法制漿時回收松節油和松香,隨後世界各國以該法造紙回收松脂制品的技術不斷改進而發展成為高技術的化學工業之壹。

利用植物單寧鞣皮,從古埃及的墳墓中證實,已有4490年的歷史。而用於鞣革的栲膠工業是隨著制革工業的興起才發展起來的。1803年已有槲樹皮液體栲膠的生產,繼有塊狀栲膠及粉狀栲膠的出現。主要的生產國家有阿根廷、南非、蘇聯、巴拉圭、德國、法國、巴西等。主要品種有166136木、栗木、黑荊樹皮及橡碗、訶子等栲膠。

木材幹餾也起源於古埃及。通過幹餾不僅制得木炭,還可回收流體木焦油和木醋液。後者可用以保存屍體。早期的木材幹餾主要用以取得木炭。使用針葉樹材幹餾時還可得到木焦油和松油。隨著染料中間體和有機合成工業的發展,對木精和醋酸需求量增加,世界各國,特別是美國與匈牙利都在積極發展木材幹餾工業。後來這些產品可以從其他途徑取得而使該工業受到影響。活性炭是木材熱解中的重要產品。20世紀初問世以來,因其吸附及脫色性能都優於當時制糖工業常用的骨炭而需求量大增。第壹次世界大戰期間由於用作防毒面具吸附劑而稱著於世,成為壹種用途廣泛的吸附劑。之後制造方法不斷改進,新用途陸續發現,當今仍在發展中。

木材水解,本世紀初在德國即進行工業試驗。1910年美國開始建立以木屑為原料用稀硫酸水解的方法生產酒精的工廠,因得率低而關閉。在此期間德國用類似方法生產酒精,並發現用40%濃鹽酸在常溫下很易使纖維素溶解,而逐步發展成為濃鹽酸水解制取結晶葡萄糖的方法。第二次世界大戰期間,德國、蘇聯、美國均對稀硫酸水解法進行了深入的開發研究並相繼建廠投產。主要產品是酒精,還可生產飼料酵母、木糖醇、糠醛等。日本在50~60年代又進行過各種水解方法的研究,由於木材價格上漲而中斷。自本世紀中葉,木材水解這壹工業已逐步過渡到以植物原料為主的水解工業。

紫膠蟲及其寄主植物和紫膠的使用,在公元前15~前10世紀印度梵文《吠陀經》等古籍中已有記載。這種印度紫膠蟲在公元前80年用於生產有色物質稱紫膠染料,而作為更有價值的樹脂直到16世紀才被人們所認識。自1869年苯胺染料發明以來紫膠染料工業宣告結束。這種粗制的紫膠經過加工或精制可制成紫膠片,用它制成的塗料、絕緣材料、粘結劑等均具有特殊的優良性能。到20世紀50年代前後紫膠發展成為重要的天然樹脂工業之壹。在世界範圍內,各國林化生產各有側重。英國、加拿大和北歐壹些國家以木材制漿造紙為主,同時生產浮油松香、木素磺酸鹽、香草素、酒精、飼料酵母等。日本除制漿造紙外,並有松香、松節油的再加工,木炭、活性炭及香蕈生產。蘇聯除制漿造紙外,在木材水解、木材熱解及松脂加工方面占有重要地位。

中國從商代(公元前16~前11世紀)冶銅遺址中發現過殘遺木炭。早在西漢時代已經用植物纖維造紙,東漢蔡倫總結西漢用麻質纖維造紙的經驗,采用樹皮、麻頭、破布等為原料,用石灰漚制,提高了生產效率和紙張質量。這種當時稱為“蔡侯紙”的發明,為人類文明作出了巨大貢獻。造紙業到唐朝進入極盛時代並逐漸傳到國外。隨著近代造紙技術的發展,造紙原料從草本纖維轉用木材纖維,清代末期開始建立機制紙工廠。1000多年前的《神農本草經》中有松脂作為藥物的記載。在林副特產品如五倍子,自古就以藥用著稱,有斂肺、止血、化痰等療效;白蠟蟲的放養和蠟的加工,自元代即有記載;公元3世紀已知道利用紫膠作塗料、火漆和藥用。中國在木炭、桐油、茶油、松脂等利用方面從古代的簡單采集,手工式作坊式的生產,逐步發展到具有現代化水平和建立壹定規模的松香加工廠、栲膠廠、水解廠和幹餾廠。

從20世紀50年代開始,中國的林化事業發展很快,到80年代末已經建成以樹木提取為主體,包括植物水解(見植物原料水解)與木材熱解等門類組成的林化工業體系。

生產內容

樹木的幹、枝、根、皮、葉、花、果,木材加工剩余物(板皮、木屑、碎片),林木受傷後流出的分泌物、寄生昆蟲作用的形成物、樹木以外的森林植物等,都可作為林產化學加工用的原料。

木材制漿造紙

是林產化學工業中歷史較長、產量最大、產值最高的產業門類。許多國家已獨立組成生產體系。世界紙和紙板總產量1988年為22632.9萬噸,紙漿產量為16055.1萬噸。紙漿產量中90%以上由木材制造。世界每年紙與紙板人均耗量為40余千克。中國造紙工業80年代初以來發展較快,據國家統計局公布,機械紙及紙板的產量1980年為535萬噸,1985年為911.15萬噸,1988年為1264.5萬噸,品種達500多種。木材在造紙纖維原料中所占比重不大,約占20%,竹材占8%,非木、竹材占70%以上。以木材為原料的較大紙廠有佳木斯、廣州、南平和青州等造紙廠。以草類漿為原料的有民豐、華豐、嶽陽等造紙廠。中國的紙廠中,小規模占多數,汙染比較嚴重,今後隨著對制漿紙方法的改進,將逐步減輕汙染,提高漿的得率和質量,增加以木材造紙的比重。

樹木提取物加工

木材的非細胞壁物質(內含物),存在於細胞壁間和細胞腔內,分子量較低。用水、水蒸氣或有機溶劑提取出加工的產品,如栲膠、單寧酸、樟腦、木本精油以及林木受傷後流出的分泌物,如松香、橡膠乳汁經提煉加工後所得的產物,統稱樹木提取物(見木材提取物)。

松香、松節油

是重要的林化產品之壹。有三個來源:壹是從松樹立木采脂得到的松脂通過蒸餾分離出的非揮發性部分稱脂松香,揮發性部分稱脂松節油;二是從富含樹脂的松根(即明子)經有機溶劑浸提取得的產品稱木松香、木松節油;三是從松木硫酸鹽法制漿的浮油中制得的稱浮油松香,用該法回收的松節油副產物稱硫酸鹽松節油。中國脂松香和脂松節油的比重占各類松香、松節油總量90%以上。采脂用的樹種,中國以馬尾松為主,美國為濕地松和長葉松,蘇聯為歐洲赤松和西伯利亞松。世界的松香20世紀80年代以來年產量約110萬噸,其中中國30余萬噸,居世界首位。

中國的松香再加工始於20世紀70年代初期。產品有聚合松香、歧化松香、馬來松香、氫化松香、松香胺、松香酯(見松香脂和改性松香)等。松香經過改性可改善其原有性能,進壹步擴大松香的使用範圍和提高它的使用價值。松節油的主要組分是α-蒎烯和β-蒎烯。用松節油可制得合成樟腦、冰片、松油浮選劑、萜烯樹脂、松油醇、芳樟醇和從松節油的重油部分生產異長葉酮等。中國的松脂加工廠中多采用蒸汽法,部分工廠已實現生產連續化和部分工序自動化。70年代初廣東省蕉嶺縣松香廠首先改造為連續化生產的工廠。梧州松脂廠是規模最大的連續化生產的工廠,松香年生產能力達6萬噸,松香、松節油系列產品近20種。較大的工廠還有德慶林產化工廠、信宜松香廠、岑溪松香廠、武平林產化工廠等。

栲膠與單寧酸

由富含單寧的木材、樹皮、果殼、五倍子經加工制成的各種產品。用作鞣皮劑、木材膠粘劑、磺胺增效劑等。世界年需栲膠量約30萬噸,來源於南非聯邦、阿根廷、巴西、意大利生產的黑荊樹、167137木、栗木三類栲膠。這些國家資源較集中,生產規模多在萬噸以上。具有原料基地化、生產大型化等特點。中國以利用楊梅、橡碗、落葉松多種森林資源或野生資源生產栲膠,年產量4萬噸以上;生產規模較小;利用五倍子作原料生產單寧酸、桔酸等。上述產品用於制革、化工、冶金、石油制藥、印染、飲料、食品等部門或行業。中國生產規模較大、技術條件好的栲膠工廠有內蒙古牙克石,廣西百色、武鳴等廠。原貴州遵義第二化工廠、湖北竹山林化廠生產單寧酸為主,同時生產桔酸、焦棓酸、苯甲醛等精細產品。

植物原料水解

植物原料(包括木材)中的纖維素、半纖維素在催化劑作用下水解生成單糖,進壹步可轉換成酒精、飼料酵母、糠醛、木糖等產品。蘇聯水解工業最發達,采用稀硫酸滲濾法生產酒精,利用富含半纖維素的植物原料生產飼料酵母和糠醛等。中國在20世紀50年代利用木材開始建立木材水解廠,生產酒精與酵母,或利用農、林剩余物建立糠醛廠。糠醛年產量約4萬噸。

木材熱解

薪炭材、木屑、果殼或木質材料在隔絕空氣或通入少量空氣條件下,使之分解而制得各種熱解產物。木材熱解領域中木炭的燒制歷史最為悠久。中國迄今在林區和農村仍大量生產,年收購量達50萬噸以上。木炭除用作生活和工業燃料外,還可用作冶金的還原劑,金屬精制時的覆蓋劑、滲碳劑等。經活化後制得具有吸附力強的活性炭,用作飲水、廢水處理、空氣凈化、烴回收等方面的吸附劑。中國活性炭年產量由20世紀50年代1000噸左右到80年代末達到4萬噸以上。

木材幹餾

根據原料不同有以下幾種:①闊葉樹材幹餾,主要產品為木炭、醋酸、甲醇、木焦油、雜酚油;②根材幹餾,產品有松炭、松焦油、幹餾松節油和松油;③樺皮幹餾,產品為樺皮焦油等。

木材氣化

木材在高溫下部分燃燒並轉變為可燃性氣體的熱解過程。生成的氣體含壹氧化碳、氫、甲烷等,可作為燃料合成原料。

木材處理與化學改性

木材經過防腐、防蟲、防火處理以達到提高木材質量、延長使用壽命的目的。20世紀70年代以來,世界各國日益重視木材防護。枕木經過防腐、防蟲處理比未處理的提高使用年限3~5倍。美國僅木材防腐壹項約占加工鋸材的40%左右,相對地每年少采伐4600萬立方米的木材。中國年防腐材僅70萬立方米,急待大力加強。防腐處理後的木材主要用作枕木、坑木。木材經過化學改性可增強抗水性和機械強度,改善木材表面性狀及耐燃、耐腐性能等。在中國習慣把木材處理和化學改性列入木材工業範疇。

其他

中國有放養的紫膠蟲、白蠟蟲(見白蠟)、棓蚜蟲(見五倍子)等,在適生環境和條件下,可以從中取得經濟價值較高、數量較大的林特產品。昆明紫膠廠規模較大。廣州龍眼洞林場紫膠廠除生產脫色膠外還回收食用色素。

科學研究和教育

為適應林化工業發展,50年代中國東北、華東、西南以及北京設置有林產化學研究室。1960年在南京建立中國林業科學研究院林產化學工業研究所。根據各地區資源特點在四川、廣東、廣西、浙江、福建等省(自治區)林業研究所相繼設置了林化研究室。高等院校和規模較大的林化工廠也設有林化研究機構或課題組。中央建立了林產工業設計院,承擔建廠設計任務。

林產化學加工的研究,除木材制漿造紙外主要分三大類:①樹木提取物加工,重點為松香、松節油和栲膠;②木材化學加工,通過水解或熱解的方法取得酒精、酵母、糠醛、木炭、活性炭、木煤氣等;③對林特產資源進行開拓性的化學利用。松脂的采集從20世紀50年代開始施用硫酸黑膏和亞硫酸造紙過程中的酒精醪液作為化學采脂法的刺激劑,提高了松脂質量和勞動生產率。松脂的加工技術對原有直接火滴水法進行了技術改造。蒸汽蒸餾法逐步向連續化發展,使生產效率提高1倍以上,質量明顯改進。從60年代至今研究了多種松香再加工產品及用松節油制備合成樟腦、合成冰片、萜烯樹脂等。熱解方面對制木炭燒炭窯的窯型作了改進。提出了各種型式的連續炭化活化爐、流態化活化爐以生產不同類型的活性炭,提高生產能力和改進質量。水解方面,50年代和60年代對稀酸常壓法、中壓法、濃硫酸大酸比法、小酸比法、振動磨法、酶水解法都作過大量試驗,濃硫酸法中壹些已達到中試規模。

1956年南京林學院首先建立林產化學與工程專業,1959年擴建為系。東北林學院、北京林學院(上述三院現改名為林業大學)、中南林學院、福建林學院相繼設置相應的專業。南京林學院1964年在林化系中設立制漿造紙專業。南京林業大學和中國林業科學研究院林產化學工業研究所,經國務院學位委員會批準,獲林產化學加工碩士學位與博士學位授予權,東北林業大學有碩士學位授予權。

展望

森林不僅在調節氣候、保持水土、保護生物基因等方面具有優越的生態功能,也是人類從森林再生資源取得化學產品和能量的來源。它可以利用伐區和木材廠的“廢料”以及農、林“剩余物”加工成種類繁多的產品;樹木的內含物可采取各種方法與方式加以利用。還可以對木材和各種林產品進行化學改性或化學處理,以提高產品的使用價值和擴大用途。根據世界的經濟發展和中國實際情況,今後林產化學工業的發展趨向主要為:①建立速生優質原料基地,進壹步穩定和發展林化生產。中國的林化產品如松香、栲膠絕大多數是利用原有森林資源。因資源分散,規格不壹,收集困難,原料與產品的質與量得不到保證,進壹步發展受到限制。只有實現原料的良種化、基地化,既有利於改進目的樹的品質,又便於管理和采集,才是促進林化工業現代化和取得高效益的主要途徑。②加強林化產品的深度加工和開發。現有的林化產品品種單壹,初制產品多,改性產品少。除提高原有的產品質量擴大其使用範圍外,對初制產品的再加工逐步向精細化延伸,使林化工業向更高壹級階段發展。木炭、木煤氣、酒精是生物質能的來源,活性炭用於廢水處理和防治空氣汙染,酵母、葡萄糖等對日益增長的世界人口和畜牧業的需求將取得應有的發展。③重視科學研究和科學技術人材的培養。林化產品種類繁多,均屬天然有機化合物,成分復雜。進壹步開發利用,將遇到對產品的成分、結構、性質和分離技術等問題。為適應林產化學工業的發展,需要有化學家、生物學家、化學工程學家、木材學家、遺傳學家、生理學家、林學家的跨學科的合作;還應開展新工藝、新技術的研究,加強應用技術的基礎研究,並培養壹支適應新形勢的、多層次的科學技術隊伍。